地图学认知实验研究的回顾与展望

地图学认知实验研究的回顾与展望

1基于地图空间认知理论的地图学研究地图学产品的设计和评估需要大量的实验验证。地图学认知研究与可用性研究联系紧密,认知研究是可用性分析的重要依据。经过近半个世纪的认知地图学研究,地图学认知实验综合应用了大量的心物学、心理学、可用性工程等实验方法。多年来认知制图学通过实验研究取得了不少成果,但比较零散、孤立,没有完整的体系,地图空间认知理论的提出给出了一个理论框架,地图学认知实验是其中的重要组成部分。认知理论与实验方法并行研究才能够更好地推动现代地图学的发展,下面将地图学认知实验的方法及部分应用进行总结,为现代地图学产品的认知与可用性研究提供方法指导。2研究方法的转变认知制图和心象地图是地图空间认知理论的两个重要概念,自20世纪60年代开始,认知心理学家为揭示人类认识世界的过程和方法对其进行研究。与此同时,地理学家和地图学家也对认知制图和心象地图进行了大量研究,了解地图的空间认知特点和规律,最终改善地图设计而增强地图信息传输效果。70年代的地图学实验大都集中使用心物学实验方法,它忽视了动态的思维过程,而仅关注简单的任务。80年代地图学设计和使用的实验研究迅速衰落,原因在于:一是新制图技术的发展成为制图学家主要研究内容;二是心物学研究方法受到越来越多的批评,而且分析方法和测试研究没有引起支持地图设计的理论框架的建立。70年代末直到80年代,研究者开始致力于高级的认知研究。90年代地图学实验研究开始迅速增多,认知研究开始作为一个研究领域成为地图学的重要组成部分,方法上从简单的心物学技术走向复杂的认知任务研究。令人惊讶的是,地图学认知研究的复兴也是受到计算机硬件条件升级的影响,地图设计质量要适应硬件发展;另外新的地图学表现方式,如动画地图、网络地图、触觉地图、虚拟地图等,这些新地图传输工具引发了研究者对其传输效力的兴趣。地图学实验从简单到深入,从单维向多维,随着实验技术和地图制图技术的进步不断发展。3地图学认知实验方法3.1激—心物学方法早在1908年,德国制图学家MaxEckert开始研究制图方法的基础依据,提出“地图逻辑”是科学制图的最重要议题之一,“地图逻辑”即地图制作与感受的原则。Eckert已经认识到地图传输中的主观性,建议应用心物学研究制图,尽管他没有发表相关的实验研究报告,也没有提供详细的应用方案。在Robinson1952年的《TheLookofMaps》一书的呼吁下,地图传输中用户视觉感受研究受到重视,心物学方法得到广泛应用。心物学隶属于实验心理学,它描述了物理刺激变量与人的心理反应变量之间的关系。从20世纪50年代开始,大多数地图学研究采用这种刺激——反应(S-R)模型,该方法研究地图设计非常直接,至少是可感知、可判断的。心物学实验对地图设计中的一个或多个要素进行感受研究,如地图符号、注记、色彩等,通过测验用图者视觉刺激形成的主观感受量来制定制图原则。第一个应用心物学方法研究地图设计的是RobertWilliams于1954年美国制图者协会上递交的文章《VisualInterpretationofMapSymbols》(1956年发表),研究了正方形、三角形、星形、圆形符号的视觉感受,以及灰度尺和体积符号感受。第一个发表的是1956年Flannery的分级圆符号视觉感受实验,它引发了一系列相关的心物学实验,如符号大小、灰度尺、面状符号等实验(Castner1983;Chang1977;Crawford1973;Ekmanetal.1961;Flannery1971;Gilmartin1980;Meihoefer1973)。除Williams和Flannery采用的比率和比例尺放大技术外,心物学技术中的恰可识别差异法(JustNoticeableDifference,JND)也被应用于地图学实验。恰可识别差异是指从主观视觉感知角度刚刚可以察觉的微小差别,其统计意义为75%的观察者恰好能够分辨的差别。此方法可用来研究地图符号大小、纹理填充、设色差异的微小变化引起的感受变化,从而确定各变量的阈值,使地图设计达到最佳效果。心物学实验因缺乏地图的整体感受环境而受到批评和质疑,但实验结果对地图设计确有很大的指导性。目前的许多地图学实验仍采用此方法,如电子地图的色彩配合实验、旅游地图符号混淆性辨别调查实验和主观评估调查实验、电子地形图视觉感受实验、旅游网络地图符号在线实验等。现代化数字制图条件一定程度上弥补了心物学实验的缺陷,实验素材、读图环境及被试比较接近真实用图环境,不仅可对一个或多个要素,还可对整幅地图进行视觉感受实验。3.2地图设计实验此方法通过实验分析用户完成某项或若干项任务、或者回答某些问题的速度和准确度来测试多种地图符号和地图设计的感受(Potash1977),包括:等角投影的面状区域(Mackay1958)、点状符号(Castner1964)、灰度尺(Crawford1971;Kimerling1975)、字体和注记(Bartz1970;Shortridge1979)及色彩(Brewer1992;Cuff1973;Olson1981)。相对于专题地图,重要的地图设计实验研究大都以地形图为研究对象(Eley1987;GriffinandLock1979;HsuandRobinson1970;Phillips1984;Phillipsetal.1975;Potashetal.1978;ShurtleffandGeiselman1986)。Opach测试了时间动画地图的复杂度对用户感知的影响。地图任务根据具体的测试目的设计,常用的任务有:目标寻找、图上特征重绘或复述、图上测量或计数等。被试反应速度通常指使用秒表、声像纪录材料分析、计算机计时器等方式记录的反应时。准确度分析包括被试对任务的行为分析、对问题的口头回答、及重绘图形的准确度分析等。这里将操作与提问测试法单独列出,目的在于强调它的重要性,它可以简单单独实施,更多的则是与文中其他技术相结合。3.3地图学的研究眼动研究被认为是视觉信息加工研究中最有效的手段,研究表明眼动的各种模式一直与人的心理变化相关联。地图学中的眼动研究是利用实验的方式,记录并分析被试在观看图形或阅读文字的过程中眼睛观看的位置和眼球运动的形式,从而发现其注意力和兴趣所在,进而探索读图时的思维过程和认知策略。其中包括了察觉、感受、认识、想象、判断和记忆等地图学认知理论研究的主要问题,也是提高地图设计水平的基础。地图学家早在20世纪70年代就注意到人的因素在地图设计中的重要性,发现眼动实验结论能够很好地指导地图设计,提出眼动实验在地图学研究中的可用性并做了部分相关的基础性研究,对眼动技术在地图学中的应用寄予很高的期望。但当时的技术条件和数据分析能力限制了该技术在地图学领域的广泛应用。通过眼动实验,心理学家LeonWilliams(1971)研究了用图者如何应用视觉特征(大小、形状、颜色、亮度)增强搜索能力;GeorgeF.Jenks(1971)研究了点状专题图中众多点的区域归属;Dobson(1977)探讨了区域界线标示和未标示两种情况下读图的视觉过程差异,还(1979)评测了视觉获取的主要信息内容,以及视觉过程中估测与决策过程。70年代末80年代初,眼动实验在地图学中的应用研究越来越专业,开始着眼于特殊的地图阅读过程、地图读者特征、地图属性,并产生了众多可操作性的实验设计。当时这方面的研究主要集中于三个中心。①伦敦大学心理系,着力于研究如何使地图更加清晰易读。Noyes和Audley进行了一系列实验(Noyes1978;PhillipsandNoyes1977;Noyes1980;Phillips1981;PhillipsandNoyes1982;Phillips1980)确定图名设计对地图阅读速度的影响,研究成果形成了地图设计原则;②北达科他大学(美),心理研究者Antes和地理研究者Chang是重要成员,其眼动研究着力于:地图设计对地图阅读行为的作用,读图任务与用户经验的作用;③安大略金斯敦女王大学,其地图学眼动研究的历史最悠久(始于60年代末),这期间的研究重点是感知与认知过程及经验知识在地图阅读中的作用,及其在地图设计中的应用。Castner(1979)描述了一个地图阅读过程模型,区分了读图多个阶段中的感受与认知过程。Castner和Eastman(1984;1985)研究了地图的复杂性对地图阅读的影响。更多的研究请参阅文献。随着眼动技术的发展及在数据分析软件辅助下眼动数据分析的简便化,90年代以后眼动实验在地图学领域的应用也不断推广。当前眼动实验已经被引入到虚拟环境、屏幕地图、交互性用户界面、地理可视化的可用性、移动地图等的研究中。3.4地图认知的研究方法出声思维(ThinkingAloud)是口语报告法中的一种。口语报告法是让被试以口头言语的形式报告自己心理活动过程及行为表现的研究方法。在使用过程中,研究者需要对被试的口头报告进行录音,然后将其转录为书面材料,再根据研究需要进行编码。口语报告可分为:同时性口语报告——被试完成任务过程中同时报告其内部的思维序列(出声思维),追述性口语报告——被试完成任务后报告其经历的内部认知过程。出声思维法又分为自发的出声思维和有提示的出声思维。20世纪90年代McGuinness开创性地将出声思维法应用到地图制图中,对GIS环境中地图使用进行了研究,发现新手和专业地图用户有非常大的区别,她将此归结为地图使用策略的不同。SimonUngar(1997)结合出声思维和重绘法,探索地图阅读者的自发策略,并将策略与阅读技巧联系起来。Elzakker从1999年开始应用出声思维法研究地图使用前的认知问题。Elzakker(2003)为研究探索制图中以需求为驱动的认知过程,采用以出声思维为核心的组合式研究方法,即出声思维录音、地图操作录像、及操作后与被试的讨论以弥补出声思维录音中的不完整的录音。Elzakker(2004)采用出声思维方法研究盲人从触摸地图中获得信息时采用的策略。Blok(2005)运用出声思维法研究了地图动画,她首先请地图学专家对其地图动画软件做评论,经过修改后再请一组潜在用户进行出声思维实验。因此,出声思维方法不仅适用于认知过程研究,还适用于功能研究。ElgerHeere(2006)应用了出声思维法研究在不动产地图集中的老地图辅助下GIS(数据库中输入老地图数据并具有了分析功能)的应用,以研究GIS能否解决科研人员原来的问题,及原科研人员如何使用此项技术。3.5fmri测试近年来,功能性磁共振脑成像技术(functionalMagneticResonanceImaging,fMRI)在认知神经学、临床医学中的研究成为热点并得到了广泛应用。人脑在接受各种感觉刺激及进行运动、思维、记忆、精神活动时,脑部特定区域就出现血液动力学变化,如在接受视觉、听觉、触觉等外界特定刺激后其相应的皮质功能区被激活,出现局部脑血流量增加,持续3—5S,这种变化会体现在磁性变化上,fMRI检测的就是这种大脑皮层组织磁特性的短暂变化。fMRI可以应用于对视觉、听觉、记忆和认知、听觉和语言的研究。fMRI技术同样可用以研究地图阅读认知过程。这一方法要求被试完成任务时进行功能性磁共振脑成像扫描,通常心理学家设置的任务与地图无关,也未提及地图阅读研究,但制图学家完全可将这种研究方法与地图阅读研究联系起来。有关的认知过程研究如:几何物体的旋转(M.S.Cohenetal.1996;Gauthieretal.2002;Podzebenko,Egan,andWatson2005),视觉搜寻(Gitelmanetal.2002),空间注意(Gitelmanetal.1999),及虚拟现实中的导航(Maguireetal.1998;Hartleyetal.2003;Rosenbaumetal.2004)。虽然不太经常,但制图学家也已经开始应用fMRI研究地图阅读的认知过程(Lawrence2005;Olson,Lobben2005)。3.6具有不同的群体焦点组讨论(Focusgroups)是通过小组讨论的方法来促进和激发小组成员之间的讨论和交流,从而达到收集资料的目的。一般来说,定性研究可以采用6～50个焦点组,但大部分定性研究都只有几个焦点组,每个焦点组由4～8人组成。焦点组成员可以是自然的群体;也可以是具有相似背景的人,利于分享共同的体验;也可以是差异很大的群体,利于激发不同观点之间的讨论。在焦点组讨论的过程中,研究者主要起到组织作用,注意采取一些手段促进讨论和交流,尽量减少自身的观点或立场的影响。焦点组讨论可以帮助研究者了解隐含的态度和看法,发现共有的认识和看法。此方法的一大优势在于可以激发参与的热情和观点的表达。Monmonier和Gluck(1994)采用焦点组讨论法研究了动态制图设计的改进问题。实验设计了四次焦点组讨论,对动态地图的图解描述概念、步调-播放隐喻进行评价。26位信息学、地图学和计算机科学专家参与了讨论,对地图的图解描述与统计图表的动态组合提出了大量意见和建议。Monmonier认为作为一个改进设计的方法,焦点组讨论法是一种解决制图中众多问题的有用方法。Harrower(2000)设计焦点组对他们设计的了解全球气象的地理可视化工具EarthSystemsVisualizer(ESV)进行评测,焦点组由专家和新手构成,根据实验分析,系统在时态图例、播放速度、方向控制方面做了改善。3.7眼动实验法如Elzakker(2003)采用的以出声思维为核心的组合式研究方法,即出声思维录音、地图操作录像、及操作后与被试的讨论,地图学实验经常采用多种方法的组合,因为实验方法各有所长,也会由于实验技术本身或实验设计的原因存在某些缺陷,多种方法结合则可弥补缺陷、发挥所长,哪怕采用多个简单的方法,也能获得更广泛的验证信息,增强实验结论的正确性。LynneCooke等应用眼动方法弥补出声思维法在网站可用性研究中的缺陷,初步的研究表明出声思维法中被试对信息和连接点的期望值以及他们对连接名的信任度等细节信息很容易丢失,眼动实验法可以辅助测试出声思维报告的有效程度,并提供更多细节信息。眼动技术与脑电技术的结合不仅给认知科学的研究带来了方法上的突破,而且丰富了认知科学的研究成果。关于空间注意和视知觉的fMRI研